基于MATLAB的1 000 kV特高壓變壓器仿真

李其瑩，吳 遨，韓金林，高文龍，王鴻志

（1.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；2.山東送變電工程有限公司，山東 濟(jì)南 250118；3.國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東 青島 266002；4.國網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

隨著特高壓工程的不斷發(fā)展，電力變壓器的電壓等級、傳輸容量、繞組數(shù)量和體積不斷增大。1 000 kV泉城站作為“特高壓入魯”工程山東第一座1 000 kV變電站，其主變壓器由主體變和調(diào)壓補償變兩部分構(gòu)成［1］，容量和復(fù)雜程度都是首次接觸，在進(jìn)行變壓器一次通流試驗時，由于調(diào)壓補償變繞組產(chǎn)生的電流很小，給調(diào)試工作帶來很大挑戰(zhàn)。為了更好地研究特高壓變壓器的結(jié)構(gòu)特點和保護(hù)運行方式，對特高壓變壓器進(jìn)行一次電流仿真顯得十分必要。

1 1 000 kV特高壓變壓器結(jié)構(gòu)

1 000 kV特高壓變壓器采用中性點無勵磁調(diào)壓方式，由主體變壓器和調(diào)壓補償變壓器兩部分組成。為了使調(diào)壓過程中低壓側(cè)電壓不受影響，加入調(diào)壓補償繞組，對低壓繞組進(jìn)行補償。調(diào)壓補償變壓器由調(diào)壓變壓器和補償變壓器組成，二者共用一個油箱，調(diào)壓補償變壓器的勵磁繞組（EV）與主體變壓器的低壓繞組 （LV）并聯(lián)，低壓補償變壓器的勵磁繞組（LE）與調(diào)壓變壓器的調(diào)壓繞組（TV）并聯(lián)，調(diào)壓補償變壓器的補償繞組 （LT）與主體變壓器的低壓繞組（LV）串聯(lián)，變壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 1 000 kV特高壓變壓器繞組接線

2 1 000 kV特高壓變壓器保護(hù)配置

1 000 kV特高壓變壓器保護(hù)由主體變壓器保護(hù)和調(diào)壓補償變壓器保護(hù)兩部分組成，主體變壓器保護(hù)與常規(guī)500 kV變壓器保護(hù)配置相同，配備了完善的主、后備保護(hù)。調(diào)壓補償變壓器保護(hù)配置了調(diào)壓變壓器縱差保護(hù)和增量差動、補償變壓器縱差保護(hù)和增量差動主保護(hù)［2］。

調(diào)壓變壓器和補償變壓器的繞組匝數(shù)占整個變壓器的比例相對較小，當(dāng)調(diào)壓變壓器發(fā)生匝間短路時，主體變壓器配置的縱差保護(hù)差流很小，甚至不能夠起動，為了提高調(diào)壓變壓器和補償變壓器發(fā)生匝間故障時的靈敏度，單獨配置調(diào)壓變壓器和補償變壓器差動保護(hù)。變壓器繞組與電流互感器接線如圖2所示。

調(diào)壓補償變壓器差動保護(hù)電流由電流互感器TA4、TA5、TA6、TA7 獲得，其中，調(diào)壓變壓器差動保護(hù)電流由TA5、TA6、TA7組成，補償變壓器差動保護(hù)電流由 TA4、TA6、TA7 組成。

圖2 1 000 kV特高壓變壓器繞組和TV接線

調(diào)壓變壓器差流滿足：

補償變壓器差流滿足：

當(dāng)調(diào)壓裝置在1～4檔位時，調(diào)壓繞組中的電流方向為正，當(dāng)調(diào)壓裝置在6～9檔位時，調(diào)壓繞組中的電流方向為負(fù)，此時TA5、TA6的電流極性也隨著改變。

圖3 變壓器中—高壓側(cè)通流仿真模型

圖4 變壓器中—低壓側(cè)通流仿真模型

3 1 000 kV特高壓變壓器通流試驗仿真建模

仿真在MATLAB/Simulink軟件平臺上進(jìn)行，用simulink中的電力系統(tǒng)工具箱（PSB）工具箱建立變壓器通流的模型，在Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真［3］。

3.1 電力系統(tǒng)工具箱

PSB（Power System Blockset）是基于 Simulink 而發(fā)展起來的對電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真的強(qiáng)大的工具箱［3］。PSB中的Powerlib-models使用預(yù)先構(gòu)造好的用于仿真非線性電路的元件；連接在狀態(tài)空間塊輸入的Simulink源，通常用來仿真電源塊。Simulink中非線性模塊以反饋方式連接到線性模塊的電壓輸出和電流輸入之間。

PSB電力系統(tǒng)模型塊是電力系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，PSB中以圖元的形式表示電力系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型。所有的模型塊有7類：電源庫（各種交直流電源模型）；輸電變電庫（包含電力網(wǎng)的線性和非線性元件，如斷路器、線路、變壓器、負(fù)荷、避雷器、接地點和中性點等）；電力電子設(shè)備庫（包含二極管、晶閘管、可關(guān)斷晶閘管等元件）；電機(jī)庫（直流電機(jī)、同步電機(jī)、異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)等）；測量庫（電流互感器、電壓互感器和阻抗測量等）等。

3.2 變壓器通流仿真模型

以單電源三卷變壓器為模型建立特高壓變壓器主體變和調(diào)壓補償變模型，短接高壓側(cè)繞組模擬中-高壓側(cè)通流試驗，仿真模型如圖3，短接低壓側(cè)繞組模擬中-低壓側(cè)通流試驗，仿真模型如圖4所示。

4 變壓器通流仿真結(jié)果及分析

4.1 中-高壓側(cè)通流仿真

中-高壓側(cè)通流仿真結(jié)果可以看出，中壓側(cè)電流和調(diào)壓變壓器原邊電流幅值和相位相同，此時調(diào)壓變壓器副邊和低壓側(cè)繞組電流幅值相等方向相反，補償變繞組中幾乎沒有電流通過。中-高壓側(cè)通流仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 中—高壓側(cè)通流仿真波形

圖6 中—低壓側(cè)通流仿真波形

4.2 中-低壓側(cè)通流仿真

中-低壓側(cè)通流仿真結(jié)果可以看出，中壓側(cè)電流幅值等于補償變壓器和調(diào)壓變壓器原邊電流之和，三者相位相同，低壓側(cè)和補償變副邊電流幅值相等但相位相反，調(diào)壓變壓器副邊電流較小。中-低壓側(cè)通流仿真結(jié)果如圖6所示。

4.3 中壓側(cè)空載合閘勵磁涌流仿真

對中壓側(cè)空載合閘瞬間進(jìn)行仿真如圖7所示，從結(jié)果可以看到中、低壓側(cè)勵磁涌流在一個周波內(nèi)呈不連續(xù)狀且偏于時間軸的一側(cè)，中、低壓側(cè)電流相位相反，與實際情況相符。

圖7 模擬中壓側(cè)空載合閘瞬間勵磁涌流

5 結(jié)語

所進(jìn)行特高壓變壓器一次電流仿真結(jié)果與實際相吻合，建立的模型正確性得到了驗證。隨著特高壓工程建設(shè)加快，大容量變壓器特別是換流變及調(diào)壓補償變越來越多，保護(hù)配置更加復(fù)雜，給出了電力變壓器保護(hù)仿真的思路和具體方法，可為大容量變壓器的仿真提供一定參考，能夠加深現(xiàn)場工程人員對變壓器結(jié)構(gòu)和保護(hù)配置的理解，有助于提高現(xiàn)場調(diào)試工作的順利開展。